De weg naar 7 nm: hoe UV-technologie chips steeds kleiner maakt

Samsung, Intel en andere chipmakers kondigen steeds kleinere productieprocessen aan. Tot nu toe maken de bedrijven gebruik van klassieke lithografiemethodes om hun nieuwe generatie chips mee te creëren. Chips worden echter zo klein dat deze technologie op zijn laatste benen staat. Extreme ultraviolet lithography (EUVL) staat daarom klaar om de fakkel over te nemen.

Klassieke lithografie

De circuitgroottes in moderne chips kunnen slechts 42 nanometer groot zijn, terwijl moderne productietools gebruik maken van een deep ultraviolet (DUV) argonfluoride (ArF)-laser met een golflengte van 193 nm. Om dat verschil te compenseren, verbeteren Intel en andere chipfabrikanten de resolutie van hun fotolithografieapparatuur met behulp van verschillende technieken. Eén van deze technieken heet multi-patterning, wat een methode is om de densiteit van een chip te verhogen. Sommige lagen van een chip worden meermaals blootgesteld aan de laser, met telkens een ander sjabloon. Hierdoor kan men de complexiteit van een chip sterk verhogen, maar wordt het productieproces eveneens drastisch verlengd, wat op zijn beurt de productiekost van een chip verhoogt.

Intel gebruikt multi-patterning sinds het midden van de jaren 2000. De techniek veroorzaakte initieel maar weinig problemen. Met de introductie van het 14-nm-productieproces nam het aantal stappen met sjablonen echter exponentieel toe, waardoor het bedrijf de introductie van een 10-nm-proces moest uitstellen.

Extreme ultraviolet

Om de problemen van klassieke lithografie van de baan te werken, richten chipmakers zich tot extreme ultraviolet lithography. De ontwikkeling van deze technologie startte al in 1985 en maakt gebruik van ultravioletstralen met een golflengte van slechts 13,5 nanometer. Hierdoor kan je EUVL gebruiken om erg functierijke chips te creëren, zonder dat je hard moet steunen op multi-patterning.

Ondanks de vele voordelen die extreme ultraviolet lithography heeft, liggen er nog steeds enkel chips gemaakt met klassieke lithografiemethodes in de winkel. Dat komt doordat EUVL erg complex is. Je hebt een volledig nieuwe scanmethode nodig, andere chemicaliën en een nieuwe sjablooninfrastructuur. Bovendien is het genereren van extreme ultraviolet-licht erg moeilijk en bekom je niet altijd de resolutie waarop je hoopte.

Samsung

De grenzen van DUV-lithografie zijn bereikt, waardoor fabrikanten in de richting van EUVL worden gedwongen. Samsung lanceerde dit jaar zijn eerste 10 nm-SoC’s, die je in de Samsung Galaxy S8 en Note 8 kan terugvinden. Het bedrijf wil de klassieke lithografiemethode nog één keer gebruiken voor zijn 8 nm-reeks, al zullen deze chips slechts verbeteringen ten opzichte van de huidige chipreeks bevatten. Daarna worden het aantal sjablonen en de kosten te hoog, waardoor de Koreaanse smartphonemaker zich gedwongen ziet om EUVL te gebruiken. Indien de technologie tegen dan niet in staat is om de grootschalige productie van chips te ondersteunen, moeten chipbakkers naar een andere oplossing op zoek gaan.

Samsung is het eerste bedrijf dat 10 nm-SoC’s aanbiedt en is hiermee Intel te snel af. Intel staat al jaren aan het voorfront van de chipinnovatie, en leidt doorgaans de weg bij het verkleinen van het bakproces. Zo kwam Intels stap naar 14 nm er maanden voor de concurrentie. Met Kaby Lake – de derde 14 nm-reeks van Intel – verlengde de Amerikaanse chipmaker zijn traditionele tweejaarlijkse verkleincyclus echter naar drie jaar, waardoor Samsung zijn slag kon slaan.

Nuancering

De 10 nm-chip van Samsung is een indrukwekkende staaltje innovatie, al moeten we deze vooruitgang toch een beetje nuanceren. Vroeger was de verkleining van het bakproces erg rechttoe rechtaan en verschilde het fabricageproces niet enorm tussen verschillende fabrikanten. Vandaag is het veel moeilijker om het bakprocedé te verkleinen en leggen fabrikanten hun eigen focus in de manier waarop ze dat doen. Bovendien verwijst 10 nm naar de gemiddelde resolutie van de kleinste componenten op de chip en niet op het formaat van de transistors zelf. Bijgevolg bestaat er geen regel die uniformiteit schept in wat 10 nm precies betekent. Zo verschilt het 10 nm-proces van Samsung op verschillende vlakken van dat van Intel, dat naar verluidt nog iets fijner is.

Globalfoundries

Samsung is dan wel met de primeur van de eerste 10 nm-chip gaan lopen; de andere chipfabrikanten zitten het bedrijf op de hielen en kijken zelfs al voorbij de kaap van 10 nm. De wet van Moore is voor geen enkel bedrijf nog een haalbare kaart, maar dat wil niet zeggen dat het verkleiningsproces volledig stil ligt. Intel blijft op traditionele wijze zijn chips verkleinen, maar doet dat aan een lager tempo dan voorheen. Samsung, GlobalFoundries en TSMC gebruiken daarentegen een systeem van korte en langdurige reeksen, met telkens andere karakteristieken.

TSMC heeft net als Samsung 10 nm op zijn toekomstplannen staan, terwijl GlobalFoundries rechtstreeks van 14 naar 7 nanometer wil springen. De firma wil zijn eigen procestechnologie ontwikkelen en wil vanaf de tweede helft van 2018 7 nm-chips stapsgewijs uitrollen.

7 nm

De eerste generatie 7nm-chips van GlobalFoundries zullen met klassieke deep ultraviolet-lithografie worden gemaakt. Het bedrijf hoopt de prestaties van de chip met 40 procent te verbeteren, of het stroomverbruik van de SoC met 60 procent te verlagen. Pas vanaf de tweede 7 nm-reeks zal GlobalFoundries extreme ultraviolet-lithografie introduceren. In eerste instantie zorgt deze nieuwe techniek niet voor prestatieverbeteringen. Het bedrijf wil met de introductie van EUVL het aantal nodige sjablonen reduceren en bijgevolg de kostprijs doen dalen. Voorlopig plant GlobalFoundries de introductie van EUVL ergens in 2019.

Een derde generatie 7nm-chips wordt rond 2020 verwacht. De nieuwe technologie is tegen dan ingewerkt, waardoor GlobalFoundries chips kan creëren waarin de verschillende onderdelen beter afgelijnd zijn en het bedrijf een verfijnder productieproces heeft. De chipmaker zegt dat deze chips minder energie zullen verbruiken en betere prestaties leveren.

Lithografiesystemen

In hoeverre Samsung en GlobalFoundries erin slagen hun deadlines voor de introductie van EUVL te halen, is sterk afhankelijk van fabrikanten van lithografiesystemen. Het Nederlandse ASML is de grootste leverancier van fotolithografiesystemen ter wereld en kondigde dit jaar aan dat hij een belangrijk probleem in EUVL-systemen heeft opgelost.

Eén van de grootste problemen van EUVL is de snelheid van de toestellen. Chipmakers willen minstens 125 wafers per uur maken om rendabel te zijn. Tot voor kort slaagden EUVL-toestellen daar niet in, maar ASML beweert daar nu wel in te slagen. Het bedrijf zegt een doorvoer te halen van 125 wafers per uur met zijn TWINSCAN NXE:3400B-lithografiesysteem. Een doorvoer tijdens tests komt echter niet overeen met de ware productiesnelheid. Het apparaat kan den wel 125 wafers per uur verwerken, maar hierbij wordt geen rekening gehouden met de hoeveelheid producten die voldoen aan alle specificaties.

Toekomstdromen

Dat ASML 125 wafers per uur kan maken met extreme ultraviolet lithografie is desalniettemin een grote vooruitgang. Het is een belangrijke stap om de technologie volledig commercieel in te zetten. Alvorens chipbakkers met zo’n lithografiesysteem aan de slag kunnen, zijn er echter nog verschillende obstakels die ASML uit de weg moet ruimen. Er is een groot verschil tussen een systeem dat in optimale omstandigheden 125 wafers per uur produceert en een apparaat dat klassieke lithografie volledig kan vervangen.

ASML zegt zelf dat zijn EUVL-machines klaar voor gebruik zullen zijn in 2018. Jammer genoeg klinkt dat erg onrealistisch. Sinds de jaren 80 zeggen fotolithografiefabrieken regelmatig dat hun toestel over enkele jaren klaar zal zijn. Nu, meer dan 30 jaar later, wachten we nog steeds op de eerste chips die met EUVL zijn gebakken. Fotolithografiefabrikanten slagen er steeds beter in machines te creëren die voor de volledige productie van chips ingezet kunnen worden, waardoor we ons in de toekomst aan EUVL-chips mogen verwachten. De kans is jammer genoeg klein dat al in 2018 zal gebeuren.

Tests

In de tussentijd testen Samsung en andere chipbakkers EUVL al voluit uit. Zo beweert Samsung dat zijn bedrijf sinds 2014 al bijna 200.000 wafers met EUVL-technologie heeft verwerkt en dat ze dankzij deze ervaring zichtbare resultaten verkrijgen. ‘Verwerken’ is echter een werkwoord dat maar zelden in de mond wordt genomen door fabrikanten, aangezien ‘produceren’ een duidelijker beeld geeft van hun bezigheden. Hoogstwaarschijnlijk heeft Samsung bewust voor deze woordkeuze gekozen om aan zo’n indrukwekkend aantal te komen. Het lijkt erop alsof Samsung rekening houdt met alle wafers die hij ooit door een testmachine heeft laten gaan, zonder rekening te houden met de bruikbaarheid van het eindproduct. Samsung wil tijdens de helft van 2018 voor zijn eerste echte EUV-productie. Het Koreaanse bedrijf wil de stap naar 7 nm maken in datzelfde jaar, maar rept met geen woord over de leverdatum van deze chips. Hoogstwaarschijnlijk start het bedrijf met een erg beperkte productie. ASML heeft immers nog steeds geen EUVL-machine gelanceerd die de volledige productie van een fabriek kan ondersteunen.